Architektura pohonu robotického kloubu – kde se používají šikmá ozubená kola
Průmyslové roboty používají ve svých kloubových reduktorech dva typy převodů: pohony s deformační vlnou (harmonické) pro kompaktní ramenní a loketní klouby s vysokým převodovým poměrem a kompaktní spirálové planetové převodovky pro zápěstní klouby a rotační osu robotů SCARA, kde požadavky na hustotu krouticího momentu a zpětný pohon upřednostňují spirálové převodovky před konstrukcemi s deformační vlnou. Kolaborativní roboti (koboti) mají tendenci používat výhradně spirálové planetové převodovky – vyšší zpětný pohon (nižší tření) spirálových převodů s kovovými zuby ve srovnání s pohony s deformační vlnou je důležitá pro splnění bezpečnostních požadavků snímání síly. Pohony kol AGV (automaticky naváděná vozidla) používají jedno- nebo dvoustupňové převodovky. spirálové ozubené kolo reduktory mezi motorem náboje a kolem.
Požadavky na vůli pro robotické a servo spirálové převody
V robotických kloubech a servopoháněných polohovacích osách se vůle projevuje přímo jako chyba polohování. Vztah:
Úhlová chyba na výstupu = vůle j_t / (d_pastorku × tan(1/i))
Lineární chyba nástroje = úhlová chyba × délka ramene nástroje
U přesného robotického zápěstního kloubu s pastorkem o průměru rozteče 50 mm, vůlí 1 mm (j_t = 1 mm na roztečné kružnici) a převodovým poměrem i = 20:1 je úhlová chyba výstupní hřídele přibližně 0,5° – což odpovídá poloze 4 mm při dosahu nástroje 500 mm. Z toho je požadavek na vůli pro robotické klouby okamžitě jasný: pro opakovatelnost na úrovni mm na koncovém efektoru je na výstupu kloubu nutná vůle v řádu sub-úhlové minuty.
| Aplikace | Požadovaná výstupní vůle | Ekvivalent j_t na vstupu (÷ převodový poměr) | Třída DIN 3967 |
|---|---|---|---|
| Osa CNC obráběcího stroje (vysoká přesnost) | < 5 obloukových sekund ≈ 0,0014° | 0,002–0,010 mm | Třída H |
| Kloub průmyslového robota (standardní) | < 1–3 obloukové minuty ≈ 0,02–0,05° | 0,01–0,03 mm | Třída g–h |
| Kloub kolaborativního robota (kobota) | < 5–15 úhlových minut | 0,02–0,05 mm | Třída g |
| Pohon kol AGV | < 0,1–0,5 mm lineární | 0,03–0,10 mm | Třída f–g |
| Servo osa pro balení / označování | < 0,05–0,2 mm lineární | 0,02–0,06 mm | Třída g |
Řešení s nulovou vůlí pro servo šroubovicové převody
Metoda 1 – Tolerance tloušťky zubu (DIN 3967 třída h)
Uveďte spirálové ozubené kolo a protilehlý pastorek dle DIN 3967 třídy h (těsný). U M2–M4 dává třída h jmenovitou vůli 0–0,06 mm. V kombinaci s přesně vyrobenou osovou vzdáleností pouzdra udržovanou na ±0,01 mm je montážní vůle typicky 0,005–0,020 mm – dostatečná pro polohovací osy třídy g. Toto je nejlevnější řešení bez dalších mechanických složitostí. Nevýhoda: s opotřebením ozubených kol se vůle zvětšuje a nelze ji znovu seřídit bez výměny.
Metoda 2 – Pružinové dělené ozubené kolo (nůžkové ozubené kolo)
Nůžkové ozubené kolo se skládá ze dvou identických spirálové ozubené kolo Kola uložená souose s torzní pružinou mezi nimi, předem zkroucenou tak, aby obě poloviny současně přitlačovala k protilehlým bokům spojovacího pastorku – jedna polovina se dotýká pravého boku, druhá levého. Předpětí pružiny eliminuje vůli tím, že udržuje konstantní kontakt zubů na obou stranách pastorku. Jak dochází k opotřebení, pružina toto opotřebení automaticky kompenzuje a udržuje téměř nulovou vůli po celou dobu životnosti ozubeného kola. Nevýhodou je, že předpínací moment (obvykle 5–15% jmenovitého momentu) zvyšuje ztráty třením pohonu a snižuje maximální účinnost pohonu.
Metoda 3 – Předpětí proti zpětnému rázu u dvou motorů
Dva identické servomotory, z nichž každý pohání pastorek, který zabírá se stejným spirálové ozubené kolo Kolo (nebo ozubený hřeben) jsou poháněny s řízeným předpětím krouticího momentu – jeden motor tlačí ve směru hodinových ručiček, zatímco druhý klade odpor proti směru hodinových ručiček, čímž se boky obou pastorků současně dotýkají kola. Tím se eliminuje vůle bez mechanického působení pružiny a bez rotační setrvačnosti mechanismu s děleným převodem. Servořízení aplikuje nízkoúrovňový diferenciální krouticí moment, který se na výstupu ruší (oba motory přispívají krouticím momentem v požadovaném směru, ale jejich předpětí se ruší). Toto je preferované řešení pro vysokorychlostní přesné CNC osy nad 30 m/min a pro portálové stroje vyžadující přesnou synchronizaci mezi dvěma osami.
Odražená setrvačnost – Proč převodový poměr ovlivňuje odezvu serva
Když servomotor pohání zátěž skrz spirálové ozubené kolo U reduktoru s převodem i, motor vnímá nejen setrvačnost zátěže J_load, ale také odraženou setrvačnost J_reflected = J_load / i². U reduktoru s převodem 10:1 přispívá setrvačnost zátěže k efektivní setrvačnosti motoru pouze částkou 1% – dominuje samotné ozubené kolo a rotor motoru. Toto je problém přizpůsobení setrvačnosti servosystému:
J_celkem (u motoru) = J_motoru + J_pastorku + J_zatížení / i²
Pro maximální šířku pásma serva by měl být minimalizován poměr J_total k J_motor. Vysoké převodové poměry snižují J_reflected/J_motor, ale samotná ozubená kola mají setrvačnost. Optimální převodový poměr pro maximální šířku pásma nastává, když J_reflected (od zatížení) ≈ J_motor – což dává i_opt = √(J_load / J_motor). Pro robotický kloub s J_load = 0,05 kg·m² a J_motor = 0,0005 kg·m²: i_opt = √(0,05/0,0005) = √100 = 10:1. Minimalizace spirálové ozubené kolo Setrvačnost tělesa (použitím dutých ozubených kol pro aplikace robotických kloubů) je proto stejně důležitá jako minimalizace vůle pro optimalizaci smyčky serva.
Zpětný pohon u kolaborativních robotů – proč jsou preferována šroubovicová ozubená kola
Kolaborativní robot (kobot) se musí bezpečně přizpůsobit, když na něj člověk zatlačí – kloub musí mít zpětný pohon (zátěž může pohánět motor dozadu), aby snímač síly a momentu v kloubu mohl detekovat kontakt a bezpečnostní systém mohl omezit aplikovanou sílu. Tření v reduktoru kloubu určuje, zda je dosažitelný zpětný pohon:
A spirálové ozubené kolo Planetární stupeň v převodovém poměru 5:1 až 20:1 má účinnost záběru 97–991 TP3T, což odpovídá úhlu tření přibližně 1–3°. To je pod úhlem tření samosvorného mechanismu – kloub se pohybuje zpět silou 1,05–1,10× větší než síla dopředného pohonu. Díky integrovanému snímání síly a momentu je možné dosáhnout shodného bezpečnostního chování.
Reduktory s deformačními vlnami (harmonické pohony) v poměru 50:1 až 160:1 obvykle nejsou zpětně poháněné – vysoký redukční poměr a tření generátoru vln brání výstupu v řízení vstupu. Konstrukce kobotů využívající pohony s deformačními vlnami vyžadují aktivní řízení poddajnosti (řízení impedance pomocí snímačů momentu) spíše než pasivní mechanickou poddajnost.
Korea Ever-Power — Dodávka přesných servopohonů a robotických spirálových převodů
Přesně broušené HÖFLER spirálové ozubené kolo pro aplikace v robotických kloubech a servo automatizaci — třída DIN 4–5, Ra ≤ 0,3 µm, tloušťka zubu dle DIN 3967 třída g–h pro minimální vůli, s certifikací analyzátoru ozubených kol pro třídu přesnosti a odchylku tloušťky zubu
Korea Ever-Power vyrábí precizní ozubená kola se šroubovicovým řezem pro servo a robotické aplikace v provedení M0,5–M8, třída DIN 4–6, třída tloušťky zubu g–h (těsná vůle), z cementované oceli 20CrMnTi HRC 58–62 pro maximální nosnost v kompaktní velikosti. Pro nůžkové převody (pružinové dělení) vyrábí Korea Ever-Power párované páry s potvrzenou tloušťkou zubu v rozmezí ±1 µm od jmenovité hodnoty – což zajišťuje stejné předpětí na obou polovinách převodu. Jako přímý výrobce šikmých ozubených kolSpolečnost Korea Ever-Power poskytuje výpočet odražené setrvačnosti (J_gear = 0,5 × m × r²) pro každou objednávku přesného ozubeného kola – čímž poskytuje konstruktérovi servosystému informace potřebné pro sladění setrvačnosti před návrhem převodovky. Prohlédněte si sortiment šikmých ozubených kol.
Často kladené otázky
Opakovatelnost je schopnost robota vrátit se do dříve navštívené pozice ze stejného směru přiblížení – není ovlivněna vůlí, pokud je směr přiblížení vždy stejný. Přesnost je schopnost dosáhnout absolutní kartézské souřadnice bez předchozí kalibrace – je přímo ovlivněna vůlí, protože absolutní poloha závisí na tom, zda kloub přišel ve směru nebo proti směru hodinových ručiček. Většina průmyslových robotů specifikuje opakovatelnost (±0,01–0,05 mm), ale nikoli absolutní přesnost, a proto ve svých řídicích systémech používají kompenzaci vůle, místo aby specifikovali nulovou vůli. šikmá ozubená kolaKoboti používaní pro montážní úkoly s řízenou silou, kde je důležitá absolutní přesnost, vyžadují převody s pevnou vůlí a plnou kinematickou kalibraci.
Ne typicky – kromě vůle vyžadují robotické klouby nízkou odraženou setrvačnost (standardní převodovky mají relativně těžká tělesa převodovek), kompaktní axiální délku (standardní převodovky mají pevné rozměry skříně, které nemusí vyhovovat obálce kloubu) a torzní tuhost (standardní převodovky mohou mít při rychlém zrychlení tah, který omezuje šířku pásma serva). Přesný planetový převod spirálové ozubené kolo Vhodným produktem je platforma navržená speciálně pro servopohony – s dutým výstupním hřídelem pro vedení kabelů, lehkým hliníkovým pouzdrem a přesnou výstupní přírubou. Společnost Korea Ever-Power vyrábí komponenty planetových převodů (centrální a planetové převody) pro tyto kompaktní servopohony; skříň a sestava jsou obvykle navrženy výrobcem robota.
Pohony kol AGV pro roboty pro vnitřní logistiku obvykle používají M2–M4 šikmá ozubená kola v jednostupňových nebo dvoustupňových převodovkách, čímž se snižují otáčky motoru (3000–6000 ot/min) na otáčky kola (100–400 ot/min). Kompaktní geometrie náboje kola omezuje průměr ozubeného kola na vnější průměr 30–80 mm, což u M2–M4 dává počet zubů 15–40 – dostatečné pro požadované převody. Materiál: cementovaný 20CrMnTi pro prodlouženou životnost v 24hodinovém denním provozu typickém pro logistické AGV. Třída přesnosti: třída DIN 6–7 (prostředí s utěsněným krytem IP67 a střední rychlosti AGV nevyžadují přesnost dle DIN 5).
Pro spojení serv a robotů šikmá ozubená kolaStandardní je úhel stoupání šroubovice β = 20–25° – stejný rozsah jako u přesných průmyslových převodů. Vyšší úhel stoupání šroubovice snižuje chybu přenosu (nižší hluk), ale zvyšuje axiální sílu na hřídeli servomotoru, která není vždy podepřena ložiskem hřídele motoru pro axiální zatížení. U servo aplikací absorbuje kosoúhlé ložisko předem zabudované do výstupního hřídele servomotoru mírnou axiální sílu; nad β = 25° může axiální zatížení překročit axiální jmenovitou nosnost ložiska hřídele motoru, což vyžaduje externí axiální ložisko na vstupním hřídeli převodovky. Společnost Korea Ever-Power potvrzuje očekávanou axiální sílu (F_a = F_t × tan β) vzhledem k axiální únosnosti ložiska hřídele motoru pro každou objednávku servopřevodovky.
Poptávka po přesných servopohonech a robotických spirálových převodovkách
Uveďte požadavky na vůli, převodový poměr, výstupní točivý moment a případná omezení setrvačnosti. Společnost Korea Ever-Power potvrzuje modul, počet zubů, třídu DIN a třídu tloušťky zubů – s výpočtem odrazové setrvačnosti a certifikátem vůle, které jsou standardně součástí každé objednávky servopřevodovky.
M0,5–M8 · DIN třída 4–6 · Třída vůle g–h · Výpočet setrvačnosti · Nůžkové ozubené kolo · Minimální objednávací množství 1 kus
Střihač: Cxm
